RU2329511C2 - Force-sensitive resonator - Google Patents

Force-sensitive resonator Download PDF

Info

Publication number
RU2329511C2
RU2329511C2 RU2006124916/28A RU2006124916A RU2329511C2 RU 2329511 C2 RU2329511 C2 RU 2329511C2 RU 2006124916/28 A RU2006124916/28 A RU 2006124916/28A RU 2006124916 A RU2006124916 A RU 2006124916A RU 2329511 C2 RU2329511 C2 RU 2329511C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rod
resonator
force
length
mechanical
Prior art date
Application number
RU2006124916/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006124916A (en
Inventor
нчук Виталий Никонович Лукь (RU)
Виталий Никонович Лукьянчук
Евгений Алексеевич Осоченко (RU)
Евгений Алексеевич Осоченко
Александр Иванович Верещагин (RU)
Александр Иванович Верещагин
Алексей Валерьевич Ванин (RU)
Алексей Валерьевич Ванин
ков Владимир Борисович Пол (RU)
Владимир Борисович Поляков
ков Александр Владимирович Пол (RU)
Александр Владимирович Поляков
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
Общество ограниченной ответственности "СКТБ ЭлПА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии, Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", Общество ограниченной ответственности "СКТБ ЭлПА" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии
Priority to RU2006124916/28A priority Critical patent/RU2329511C2/en
Publication of RU2006124916A publication Critical patent/RU2006124916A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2329511C2 publication Critical patent/RU2329511C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

FIELD: mechanics.
SUBSTANCE: invention relates to measurements of mechanical force and its derivatives, i.e. moment of force, pressure, weight, deformations, linear and angular accelerations. The force-sensitive resonator is made up of one core or a system of two cores with the combined ends forming a two-branch tonometer. At the central part of the core and at one of the ends elastic hinges are arranged. The core part between elastic hinges features higher bending resistance compared to that of the other part.
EFFECT: higher relative sensitivity, high-quality resonator and higher performance.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений механической силы и связанных с ней величин: момента силы, давления, массы, деформаций, линейных и угловых ускорений. Известен пьезорезонансный датчик (см. заявку №200/324393 от 04.08.2003, опубликованную в БИ №4 от 10.02.2005), который является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и взят в качестве прототипа.The invention relates to the field of measurements of mechanical force and related quantities: moment of force, pressure, mass, deformation, linear and angular accelerations. A known piezoresonance sensor (see application No. 200/324393 of 08/04/2003, published in BI No. 4 of 02/10/2005), which is the closest in technical essence to the claimed device and is taken as a prototype.

Резонатор с изгибной формой колебаний выполнен в виде, по крайней мере, одного стержня, концы которого жестко соединены с участками приложения измеряемой силы. Недостатком прототипа являются ограниченные возможности получения высокой чувствительности при минимальных размерах резонатора вследствие уменьшения его добротности.A resonator with a bending waveform is made in the form of at least one rod, the ends of which are rigidly connected to the areas of application of the measured force. The disadvantage of the prototype is the limited ability to obtain high sensitivity with a minimum size of the resonator due to a decrease in its quality factor.

Решаемой технической задачей является создание устройства с более высокой чувствительностью и большей добротностью.The technical task to be solved is the creation of a device with higher sensitivity and greater quality factor.

Техническим результатом является уменьшение критической силы стержня и его резонансной частоты за счет изменения формы изгибных колебаний резонатора. Технический результат достигается тем, что резонатор силочувствительный выполнен, по крайней мере, в виде одного стержня, концы которого жестко соединены с участками приложения измеряемой силы. Новым является то, что в средней части и на одном из концов стержня образованы упругие шарниры, при этом ширина участка стержня, заключенного между упругими шарнирами, больше ширины остального участка стержня.The technical result is to reduce the critical strength of the rod and its resonant frequency by changing the shape of the bending vibrations of the resonator. The technical result is achieved by the fact that the power-sensitive resonator is made of at least one rod, the ends of which are rigidly connected to the areas of application of the measured force. New is the fact that in the middle part and at one of the ends of the rod elastic joints are formed, while the width of the section of the rod enclosed between the elastic joints is greater than the width of the rest of the section of the rod.

На фиг.1а) изображена форма резонатора, выполненного из пластины в виде одного стержня; на фиг.1б) изображен резонатор, выполненный в виде системы из двух стержней с объединенными концами (двухветвевой камертон). На фиг.2а) представлена кинематическая схема стержня, нагруженного продольной силой Р, соответствующая стержневому резонатору прототипа; на фиг.2б) представлена кинематическая схема резонатора согласно изобретения, нагруженного продольной силой Р. На фиг.3а) представлена эквивалентная механическая схема резонатора согласно предлагаемому изобретению, а на фиг.3б) его электрическая эквивалентная схема по первой системе электрических аналогий.On figa) shows the shape of the resonator made of a plate in the form of a single rod; on figb) shows a resonator made in the form of a system of two rods with combined ends (two-fork tuning fork). On figa) presents a kinematic diagram of a rod loaded with a longitudinal force P corresponding to the rod resonator of the prototype; on figb) presents a kinematic diagram of the resonator according to the invention, loaded with a longitudinal force P. On figa) presents an equivalent mechanical diagram of the resonator according to the invention, and fig.3b) its electrical equivalent circuit according to the first system of electrical analogies.

Резонатор на фиг.1а), б) образован из следующих монолитно соединенных элементов: участки стержней 1, 2 с образованием между ними упругого шарнира 3; концы стержней соединены с участками 4, 5 приложения измеряемой силы F, при этом в местах перехода участков стержней 2 к участку 4 приложения измеряемой силы образованы упругие шарниры 6, а участок 5 жестко соединен с другим концом стержня на участке 1. У варианта исполнения резонатора в виде двухветвевого камертона объединенные концы стержней участков 1 соединены с участком 5 приложения измерительной силы при помощи ножки 7, ширина стержней на участке 2 имеет большее значение, чем у участков 1. На поверхности стержней при помощи методов металлизации (напыление, гальваническое осаждение и т.п.) нанесены электроды электромеханического преобразователя (на фиг.1 не изображены). В зависимости от физических свойств используемого в резонаторах материала электромеханические преобразователи для возбуждения и регистрации его колебаний могут быть пьезоэлектрического, магнитоэлектрического или электромагнитного типа, их принцип действия описан в технической литературе, в частности в книгах П.В.Новицкий и др. "Цифровые приборы с частотными датчиками", "Энергия" 1970 г., стр.136-141; или Г.А.Филатов и др. "Малогабаритные низкочастотные механические фильтры", "Связь" 1974 г., стр.33-74.The resonator in figa), b) is formed of the following elements seamlessly connected: sections of the rods 1, 2 with the formation of an elastic joint 3 between them; the ends of the rods are connected to the sections 4, 5 of the application of the measured force F, while at the places of transition of the sections of the rods 2 to the section 4 of the application of the measured force, elastic hinges 6 are formed, and the section 5 is rigidly connected to the other end of the rod in the section 1. The resonator in the form of a two-branch tuning fork, the combined ends of the rods of sections 1 are connected to the measuring force application section 5 using the foot 7, the width of the rods in section 2 is more important than that of sections 1. On the surface of the rods using metal methods ation (spraying, plating deposition and the like) applied electromechanical transducer electrodes (not shown in Figure 1). Depending on the physical properties of the material used in the resonators, the electromechanical transducers for excitation and registration of its vibrations can be of a piezoelectric, magnetoelectric or electromagnetic type, their operating principle is described in the technical literature, in particular in the books of P.V. Novitsky and others. "Digital devices with frequency sensors "," Energy "1970, pp. 136-141; or G.A. Filatov et al. "Small-sized low-frequency mechanical filters", "Communication" 1974, pp. 33-74.

Импеданс электромеханического преобразователя по электрической стороне на частоте механического резонанса резонатора принимает экстремальные значения относительно значений за пределами резонансных частот, это используется для построения генераторов электрических сигналов с частотой генерации, равной частоте механического резонанса. Устройство работает следующим образом. Процесс резонансных изгибных колебаний стержневых резонаторов так же, как и у резонаторов других типов, сопровождается обменом потенциальной и кинетической энергий между двумя реактивными элементами системы с распределенными параметрами:The impedance of the electromechanical converter on the electrical side at the frequency of the resonance of the resonator takes extreme values relative to values outside the resonance frequencies, this is used to build generators of electrical signals with a generation frequency equal to the frequency of the mechanical resonance. The device operates as follows. The process of resonant bending vibrations of rod resonators, as well as other types of resonators, is accompanied by the exchange of potential and kinetic energies between two reactive elements of the system with distributed parameters:

эквивалентной упругостью и эквивалентной массой; часть энергии теряется на трение в материале стержня при его деформации изгиба и в местах крепления концов стержня (см. эквивалентную схему фиг.3а). Использование в качестве резонатора системы из двух стержней с объединенными концами, совершающих противофазные изгибные колебания, позволяет уменьшить потери на трение в местах присоединения концов, к участкам приложения измеряемой силы увеличив, тем самым, добротность резонатора (выполнение резонатора в виде двухветвевого камертона).equivalent elasticity and equivalent mass; part of the energy is lost by friction in the material of the rod during its bending deformation and in the places of attachment of the ends of the rod (see the equivalent circuit of Fig. 3a). The use of a system of two rods with united ends performing antiphase bending vibrations as a resonator allows one to reduce friction losses at the ends of the joints, and to increase the strength of the resonator (thereby making the resonator in the form of a two-branch tuning fork).

При приложении к концам стержня (участки 4, 5 фиг.1) измеряемой силы частота механического резонанса изменяется, и соответственно изменяется частота генерации генератора, к которому подключен механический резонатор через его электромеханический преобразователь. Значение частоты механического резонанса f стержневого резонатора с изгибной формой колебаний для первой моды при действии на него продольной силы определяется следующим выражением:When a measured force is applied to the ends of the rod (sections 4, 5 of FIG. 1), the frequency of the mechanical resonance changes, and accordingly, the oscillation frequency of the generator, to which the mechanical resonator is connected through its electromechanical converter, changes. The value of the frequency of the mechanical resonance f of the rod resonator with a bending waveform for the first mode when a longitudinal force acts on it is determined by the following expression:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Р - продольная сила;where P is the longitudinal force;

f0 - значение резонансной частоты при Р=0;f 0 is the value of the resonant frequency at P = 0;

В - величина, обратная критической силе Ркр стержня резонатора (продольная сила, при которой стержень теряет устойчивость).B is the reciprocal of the critical force P cr of the resonator rod (longitudinal force at which the rod loses stability).

Функция преобразования силочувствительного резонатора, выраженная через относительное изменение его резонансной частоты (относительная девиация)

Figure 00000003
при значениях ВР в подкоренном члене выражения (1) не более 0,1 в первом приближении может быть представлена линейным членом разложения в степенной ряд функции
Figure 00000004
The conversion function of a power-sensitive resonator, expressed through the relative change in its resonant frequency (relative deviation)
Figure 00000003
when the values of BP in the root term of expression (1) are not more than 0.1 in a first approximation, can be represented by the linear term of the expansion in the power series of the function
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

В функции преобразования (2) конструктивные параметры (линейные размеры стержня резонатора, физические характеристики материала, условия крепления концов) присутствуют в неявном виде в выражении для величины В (обратной величине критической силы Ркр). Используя известное общее выражение для критической силы:In the conversion function (2), design parameters (linear dimensions of the resonator rod, physical characteristics of the material, conditions for fastening the ends) are implicit in the expression for the quantity B (the reciprocal of the critical force P cr ). Using the well-known general expression for critical strength:

Figure 00000006
Figure 00000006

Получим функцию преобразования (2) в виде:We get the transformation function (2) in the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

где l - длина стержня резонатора;where l is the length of the resonator rod;

μ - коэффициент приведения длины стержня, определяется условиями крепления его концов;μ is the coefficient of reduction of the length of the rod, is determined by the conditions for fastening its ends;

Е - модуль упругости материала стержня;E is the elastic modulus of the rod material;

j - момент инерции стержня.j is the moment of inertia of the rod.

Для резонаторов с прямоугольным сечением, получивших наиболее широкое применение, выражение для момента инерции j имеет вид:For resonators with a rectangular cross section, which have received the widest application, the expression for the moment of inertia j has the form:

Figure 00000008
Figure 00000008

где b - ширина стержня;where b is the width of the rod;

h - толщина стержня (изгибные колебания в плоскости l, h).h is the thickness of the rod (bending vibrations in the plane l, h).

Тогда с учетом выражения (4) и закона Гука: σ=Еε(σ - механические напряжения в стержне под действием измеряемой силы Р; ε - относительная деформация стержня) функция преобразования будет иметь вид:Then, taking into account expression (4) and Hooke's law: σ = Еε (σ are the mechanical stresses in the rod under the action of the measured force P; ε is the relative deformation of the rod), the transformation function will have the form:

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
Where
Figure 00000010

Функцию преобразования (6) можно представить и как зависимость от относительной деформации ε:The transformation function (6) can also be represented as a dependence on the relative strain ε:

Figure 00000011
Figure 00000011

Выражения (6) и (7) для относительной девиации резонансной частоты силочувствительных резонаторов позволяют производить сравнительные оценки различных конструкций стержневых резонаторов, отличающихся размерами, условиями крепления концов стержней, физическими характеристиками материалов (модуль упругости Е, предельные напряжения σпр). В зависимости от режима применения: режима заданной силы или режима заданной деформации используют формулу (6) или (7) соответственно.Expressions (6) and (7) for the relative deviation of the resonant frequency of the power-sensitive resonators allow comparative evaluations of various designs of rod resonators that differ in size, conditions for attaching the ends of the rods, physical characteristics of the materials (elastic modulus E, ultimate stresses σ pr ). Depending on the mode of application: the regime of a given force or the regime of a given deformation, formula (6) or (7) is used, respectively.

В формулах (6) и (7) множители перед σ и ε являются коэффициентами относительной чувствительности к механическому напряжению Сσ и относительной деформации Cε резонатора, обусловленные действием продольной измеряемой силы или заданной деформацией, соответственно.In formulas (6) and (7), the factors in front of σ and ε are the coefficients of relative sensitivity to mechanical stress C σ and relative strain C ε of the resonator, due to the action of the longitudinal measured force or a given deformation, respectively.

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Как видно из выражений (8) и (9), чувствительность зависит от квадрата отношения длины стержня резонатора к его толщине l/h, коэффициента приведения длины μ, определяемого условиями крепления концов стержня и модуля упругости материала стержня для режима заданной силы. Возможность получения максимальной чувствительности ограничена максимальным значением отношения l/h, которое для стержневого резонатора должно быть меньше 300, т.к. для больших значений стержневой резонатор переходит в класс струнных резонаторов, требующих наличия начального натяжения струны. Другим ограничением повышения чувствительности за счет вариации размеров резонатора - уменьшения толщины h является уменьшение добротности резонатора и уменьшение эффективности электромеханического преобразователя (для резонаторов с пьезоэлектрическим преобразователем).As can be seen from expressions (8) and (9), the sensitivity depends on the square of the ratio of the length of the rod of the resonator to its thickness l / h, the coefficient of reduction of the length μ, determined by the conditions of attachment of the ends of the rod and the elastic modulus of the material of the rod for a given force regime. The possibility of obtaining maximum sensitivity is limited by the maximum value of the l / h ratio, which for the rod resonator should be less than 300, because for large values, the rod resonator passes into the class of string resonators requiring the initial tension of the string. Another limitation of increasing sensitivity by varying the dimensions of the resonator — decreasing the thickness h is a decrease in the Q factor of the resonator and a decrease in the efficiency of the electromechanical transducer (for resonators with a piezoelectric transducer).

Еще одним конструктивным параметром, влияющим на чувствительность резонатора, является коэффициент приведения длины μ. У резонатора-прототипа с жестким креплением концов к участкам приложения измеряемой силы значение коэффициента μ равно 0,5; при замене жесткого крепления одного из концов на шарнирное коэффициент μ увеличивается до 0,7, что позволяет в два раза увеличить относительную чувствительность при прочих равных конструктивных параметрах.Another design parameter that affects the sensitivity of the resonator is the coefficient of reduction of length μ. In the resonator prototype with a rigid attachment of the ends to the areas of application of the measured force, the value of the coefficient μ is 0.5; when replacing the rigid attachment of one of the ends with a hinge coefficient μ increases to 0.7, which allows you to double the relative sensitivity with other equal design parameters.

Выполнение еще одного упругого шарнира на участке между шарнирно закрепленным концом и другим жестко закрепленным концом (см. фиг.2б) при сохранении длины участка стержня между жестко закрепленным концом и шарниром в средней части, равной длине стержня резонатора-прототипа (фиг.2а), позволяет дополнительно увеличить коэффициент приведения длины μ (уменьшить критическую силу Ркр). В книге В.И.Феодосьева "Сопротивление материалов", изд. "Наука", г.Москва, 1974, стр.446-447 представлено решение задачи по определению критической силы для кинематической схемы фиг.2б. Результатом является трансцендентное уравнение:The implementation of another elastic hinge in the area between the pivotally fixed end and the other rigidly fixed end (see fig.2b) while maintaining the length of the portion of the rod between the rigidly fixed end and the hinge in the middle part equal to the length of the rod of the resonator prototype (figa), allows you to further increase the coefficient of reduction of length μ (to reduce the critical force P cr ). In the book of V.I. Feodosiev "Resistance of materials", ed. "Science", Moscow, 1974, pp. 466-447 presents a solution to the problem of determining the critical force for the kinematic scheme of Fig.2b. The result is a transcendental equation:

Figure 00000014
Figure 00000014

при этом через к2 обозначено отношение wherein the through k 2 denotes the ratio

Figure 00000015
Figure 00000015

С учетом общего выражения Ркр (3) формула для коэффициента приведения μ будет иметь вид:Given the general expression P cr (3), the formula for the reduction coefficient μ will have the form:

Figure 00000016
Figure 00000016

Эффективность предлагаемого технического решения, в части увеличения чувствительности, может быть продемонстрирована на примере одного из возможных вариантов исполнения резонатора, у которого длина а - жесткой части стержня (шатуна), расположенного между двумя шарнирами, равна длине остальной части стержня l, расположенной между упругим шарниром в средней части и жестко закрепленным концом; т.е.The effectiveness of the proposed technical solution, in terms of increasing sensitivity, can be demonstrated by the example of one of the possible versions of the resonator, in which the length a of the rigid part of the rod (connecting rod) located between two hinges is equal to the length of the rest of the rod l located between the elastic hinge in the middle part and a rigidly fixed end; those.

Figure 00000017
Figure 00000017

Решением уравнения (12) является значение kl≈1,165. Для значения kl≈1,165 коэффициент приведения длины будет равен: μ≈2,70.The solution of equation (12) is the value kl≈1,165. For the value kl≈1,165, the coefficient of reduction of the length will be equal to: μ≈2.70.

У резонатора прототипа с жестким креплением концов с равномерным сечением по длине стержня, как указывается выше, коэффициент приведения длины равен 0,5.The resonator of the prototype with a rigid attachment of the ends with a uniform cross section along the length of the rod, as indicated above, the coefficient of reduction of length is 0.5.

Выигрыш по чувствительности, определяемой относительной девиацией, предлагаемого технического решения относительно прототипа может быть выражен через отношение коэффициентов чувствительности резонаторов (при равенстве общих условий):The gain in sensitivity, determined by the relative deviation, of the proposed technical solution relative to the prototype can be expressed in terms of the ratio of the sensitivity coefficients of the resonators (if the general conditions are equal):

Figure 00000018
Figure 00000018

ИлиOr

Figure 00000019
Figure 00000019

Критерием равенства условий при сравнении предлагаемого технического решения с прототипом является:The criterion for equality of conditions when comparing the proposed technical solution with the prototype is:

- равенство размеров по длине стержней между точками крепления концов;- equal dimensions along the length of the rods between the points of attachment of the ends;

- равенство толщины стержней;- equality of the thickness of the rods;

- равенство значений модуля упругости Е материалов стержней. Присвоив индекс 1 характеристикам предлагаемого резонатора и индекс 2 характеристикам резонатора прототипа, с учетом равенства общих условий выражения (13), (14) примут вид:- the equality of the elastic modulus E of the materials of the rods. Assigning index 1 to the characteristics of the proposed resonator and index 2 to the resonator characteristics of the prototype, taking into account the equality of the general conditions of expression (13), (14) will take the form:

Figure 00000020
Figure 00000020

при этомwherein

Figure 00000021
Figure 00000021

где L - длина стержня резонатора-прототипа между точками соединения его концов с участками приложения измеряемой силы;where L is the length of the rod of the resonator prototype between the points of connection of its ends with the areas of application of the measured force;

а - размер жесткого участка 2 резонатора, согласно предлагаемому техническому решению, расположенного между упругими шарнирами 3, 6 (см. фиг.1).and - the size of the hard portion 2 of the resonator, according to the proposed technical solution, located between the elastic joints 3, 6 (see figure 1).

Для варианта выполнения предлагаемого резонатора с отношением

Figure 00000022
значение μ1, как указывалось выше, равно 2,7 (коэффициент μ2 прототипа равен 0,5), значение отношения (15) равно:For an embodiment of the proposed resonator with the ratio
Figure 00000022
the value of μ 1 , as mentioned above, is 2.7 (the coefficient μ 2 of the prototype is 0.5), the value of the ratio (15) is:

Figure 00000023
Figure 00000023

Таким образом, выполнение упругих шарниров в месте соединения одного из концов стержня резонатора с участком приложения измеряемой силы и в средней части позволяет, при прочих равных условиях, в несколько раз повысить коэффициент преобразования (чувствительность). Приведенный выше качественный анализ проверялся моделированием на ЭВМ с использованием метода конечных элементов. Результаты моделирования подтвердили существенный выигрыш по чувствительности предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.Thus, the implementation of elastic hinges at the junction of one of the ends of the resonator rod with the site of application of the measured force and in the middle part allows, ceteris paribus, several times to increase the conversion coefficient (sensitivity). The above qualitative analysis was verified by computer simulation using the finite element method. The simulation results confirmed a significant gain in the sensitivity of the proposed technical solution compared to the prototype.

Выполнение упругих шарниров 3, 6 на стержнях резонатора согласно предлагаемому техническому решению (фиг.1а, б) позволяет не только увеличить чувствительность, но и увеличить его добротность. Это обусловлено уменьшением резонансной частоты за счет изменения формы изгибных колебаний резонатора.The implementation of elastic hinges 3, 6 on the rods of the resonator according to the proposed technical solution (figa, b) allows not only to increase the sensitivity, but also to increase its quality factor. This is due to a decrease in the resonance frequency due to a change in the shape of the bending vibrations of the resonator.

Механическая система согласно фиг.2б эквивалентна консольному стержню длиной l с сосредоточенной массой на конце, пропорциональной массе шатуна длиной а. Угловое перемещение шатуна θ определяется поперечным перемещением Y шарнирного соединения шатуна со стержнем l (точка А фиг.2б). Влияние шатуна на колебания в механической системе фиг.2б проявляется в виде силы Рш, действующей в точке соединения шатуна с участком стрежня длиной l - точке А; при этом:The mechanical system of FIG. 2b is equivalent to a cantilever rod of length l with a concentrated mass at the end proportional to the mass of a connecting rod of length a. The angular movement of the connecting rod θ is determined by the transverse movement Y of the articulated joint of the connecting rod with the rod l (point A of FIG. 2b). The influence of the connecting rod on the vibrations in the mechanical system of Fig.2b is manifested in the form of a force P w acting at the connecting point of the connecting rod with the rod section of length l - point A; wherein:

Figure 00000024
Figure 00000024

где Мш - момент, обусловленный угловым ускорением шатуна;where M W - the moment due to the angular acceleration of the connecting rod;

jш - момент инерции шатуна относительно оси вращения (точка D фиг.2б).j w - the moment of inertia of the connecting rod relative to the axis of rotation (point D fig.2b).

Для варианта выполнения шатуна в виде однородного, с равномерным по длине а сечением b·h, стержня момент инерции равен:For the embodiment of the connecting rod in the form of a rod with a uniform cross-section b · h, uniform in length a, and the rod, the moment of inertia is:

Figure 00000025
Figure 00000025

где mш - масса шатуна.where m w - the mass of the connecting rod.

Учитывая, что

Figure 00000026
- выражение (17) с учетом (18) принимает вид:Given that
Figure 00000026
- expression (17) taking into account (18) takes the form:

Figure 00000027
Figure 00000027

где

Figure 00000028
- эквивалентная масса шатуна.Where
Figure 00000028
- equivalent mass of the connecting rod.

Таким образом, система с жестким шатуном фиг.2б эквивалентна консольному стержню с сосредоточенной массой на его свободном конце со значением, равным 1/3 массы шатуна (для однородного с равномерным по длине сечением шатуна). Ее эквивалентная механическая схема может быть представлена в виде параллельно соединенных: упругого элемента с податливостью е (см. фиг.3а) двух масс - эквивалентной массы шатуна

Figure 00000029
и эквивалентной массы консольного стержня
Figure 00000030
и сопротивления трения SТ.Thus, the system with a rigid connecting rod of FIG. 2b is equivalent to a cantilever rod with a concentrated mass at its free end with a value equal to 1/3 of the mass of the connecting rod (for a connecting rod with a uniform cross-section of uniform length). Its equivalent mechanical circuit can be presented in the form of parallel-connected: an elastic element with flexibility e (see figa) of two masses - the equivalent mass of the connecting rod
Figure 00000029
and the equivalent mass of the cantilever rod
Figure 00000030
and friction resistance S T.

Анализ эквивалентной механической схемы фиг.3а удобно проводить с привлечением метода электромеханических аналогий. При использовании первой системы электромеханических аналогий параллельное соединение механических элементов: двух масс m1, m2, податливости е и сопротивления трения SТ (см. фиг.3а), представляется в виде последовательного соединения их аналогов - индуктивностей L1, L2, конденсатора С и активного сопротивления R, соответственно (см. фиг.3б); силе F(t), приложенной к параллельно соединенным механическим элементам, эквивалентен источник ЭДС, включенный последовательно с электрическими элементами - аналогами. Выражения для добротности Qэ последовательного электрического резонансного контура (фиг.3б) и механического контура Qм (фиг.3а) имеет вид:An analysis of the equivalent mechanical circuit of FIG. 3a is conveniently carried out using the method of electromechanical analogies. When using the first system of electromechanical analogies, a parallel connection of mechanical elements: two masses m 1 , m 2 , flexibility e and friction resistance S T (see figa), is represented as a series connection of their analogues - inductances L 1 , L 2 , capacitor C and resistance R, respectively (see figb); the force F (t) applied to parallel connected mechanical elements is equivalent to an emf source connected in series with electrical elements - analogues. Expressions for the quality factor Q e of a sequential electric resonance circuit (fig.3b) and a mechanical circuit Q m (figa) has the form:

Figure 00000031
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

гдеWhere

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
- значения резонансных частот электрического и механического контуров соответственно,
Figure 00000035
Figure 00000034
- the values of the resonant frequencies of the electrical and mechanical circuits, respectively,
Figure 00000035

ρэ, ρм - волновые сопротивления электрического и механического контуров;ρ e , ρ m - wave impedances of the electrical and mechanical circuits;

m1, m2 - эквивалентные массы кинематической системы, соответствующие эквивалентной массе консольно-закрепленного стержня длиной l и эквивалентной массе шатуна.m 1 , m 2 are the equivalent masses of the kinematic system corresponding to the equivalent mass of the cantilever-fixed rod of length l and the equivalent mass of the connecting rod.

Из выражения (21) следует: при постоянстве значений податливости е консольно закрепленного стержня и соответственно его сопротивления ST добротность системы растет с ростом суммы эквивалентных масс стержня l и шатуна а. Эффективность согласно предлагаемого технического решения в части увеличения добротности можно выразить через отношение добротностей двух механических систем: резонатора с шатуном с эквивалентной массой m2 и резонатора с невесомым шатуном (m2=0), эквивалентного консольно-закрепленному стержню.From the expression (21) it follows: with a constant value of compliance e of the cantileverly fixed rod and, accordingly, its resistance S T, the quality factor of the system increases with increasing sum of the equivalent masses of the rod l and the rod a. The efficiency according to the proposed technical solution in terms of increasing the quality factor can be expressed through the ratio of the quality factors of two mechanical systems: a resonator with a connecting rod with an equivalent mass m 2 and a resonator with a weightless connecting rod (m 2 = 0), equivalent to a cantilever-fixed rod.

Figure 00000036
Figure 00000036

где m1 - эквивалентная масса консольно закрепленного стержня.where m 1 is the equivalent mass of the cantilever fixed rod.

Кроме увеличения силовой чувствительности и добротности резонатора предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность электромеханического преобразователя пьезоэлектрического типа. При изгибных колебаниях резонатора-прототипа знак механических напряжений от его деформаций дважды меняется по длине стержня. Нейтральные сечения, разделяющие участки стержня с разными знаками механических напряжений, находятся на расстоянии 0,224 общей длины от мест крепления концов стержня. Наибольшие механические напряжения находятся в зоне крепления концов и поэтому электроды электромеханического преобразователя пьезоэлектрического типа размещают на участках с максимальными механическими напряжениями; длина этих участков меньше 0,224 от общей длины стержня. Выполнение упругого шарнира в средней части стержня существенно меняет характер распределения механических напряжений по его длине при изгибных колебаниях стержня; зоны с одним знаком механических напряжений охватывают большую часть стержня, а нейтральные сечения будут располагаться вблизи упругого шарнира. Это позволяет расширить зону размещения электродов пьезоэлектрического преобразователя, повысив эффективность его работы (уменьшить эквивалентное сопротивление резонатора).In addition to increasing the power sensitivity and quality factor of the resonator, the proposed technical solution improves the efficiency of the electromechanical transducer of the piezoelectric type. With bending vibrations of the prototype resonator, the sign of mechanical stress from its deformation twice changes along the length of the rod. Neutral sections dividing sections of the rod with different signs of mechanical stress are at a distance of 0.224 of the total length from the attachment points of the ends of the rod. The greatest mechanical stresses are in the zone of attachment of the ends and therefore the electrodes of the electromechanical transducer of the piezoelectric type are placed in areas with maximum mechanical stresses; the length of these sections is less than 0.224 of the total length of the rod. Performing an elastic hinge in the middle part of the rod substantially changes the nature of the distribution of mechanical stresses along its length under bending vibrations of the rod; zones with one sign of mechanical stress cover most of the rod, and neutral sections will be located near the elastic hinge. This allows you to expand the area of placement of the electrodes of the piezoelectric transducer, increasing its efficiency (to reduce the equivalent resistance of the resonator).

Дальнейшее повышение эффективности работы пьезоэлектрического типа может быть достигнуто за счет выполнения участка стержня 1, расположенного между жестко соединенным концом с участком 5 приложения измеряемой силы и упругим шарниром 3 в средней части, с уменьшающейся плавно или ступенчато шириной (в направлении от участка 5 к шарниру 3). Повышение эффективности при переменной ширине участка 1 является следствием выравнивания по длине механических напряжений. Был изготовлен образец, который подтвердил работоспособность устройства, относительная девиация (чувствительность) увеличена не менее чем в три раза, а добротность возросла в два раза.A further increase in the efficiency of the piezoelectric type can be achieved by performing a portion of the rod 1 located between the rigidly connected end with the portion 5 of the application of the measured force and the elastic hinge 3 in the middle part, decreasing smoothly or stepwise in width (in the direction from section 5 to the hinge 3 ) The increase in efficiency with a variable width of section 1 is a consequence of alignment along the length of mechanical stresses. A sample was made that confirmed the operability of the device, the relative deviation (sensitivity) was increased by at least three times, and the quality factor was doubled.

Claims (1)

Резонатор силочувствительный с изгибной формой колебаний, выполненный, по крайней мере, в виде одного стержня, концы которого жестко соединены с участками приложения измеряемой силы, отличающийся тем, что в средней части и на одном из концов стержня образованы упругие шарниры, ширина участка стержня, заключенная между упругими шарнирами, больше ширины остального участка стержня, при этом участки стержня монолитно соединены.A power-sensitive resonator with a bending waveform, made at least in the form of one rod, the ends of which are rigidly connected to the areas of application of the measured force, characterized in that elastic joints are formed in the middle part and at one of the ends of the rod, the width of the rod section, concluded between the elastic hinges, more than the width of the rest of the rod portion, while the rod portions are seamlessly connected.
RU2006124916/28A 2006-07-11 2006-07-11 Force-sensitive resonator RU2329511C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006124916/28A RU2329511C2 (en) 2006-07-11 2006-07-11 Force-sensitive resonator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006124916/28A RU2329511C2 (en) 2006-07-11 2006-07-11 Force-sensitive resonator

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006124916A RU2006124916A (en) 2008-01-20
RU2329511C2 true RU2329511C2 (en) 2008-07-20

Family

ID=39108374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006124916/28A RU2329511C2 (en) 2006-07-11 2006-07-11 Force-sensitive resonator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2329511C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541375C1 (en) * 2013-08-27 2015-02-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Power sensitive resonator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ТУРИЧИН A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. - М.-Л.: Энергия, 1966, с.504-508. ФЕОДОСЬЕВ В.И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1974, с.443-447. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541375C1 (en) * 2013-08-27 2015-02-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Power sensitive resonator

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006124916A (en) 2008-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Toyabur et al. Design and experiment of piezoelectric multimodal energy harvester for low frequency vibration
Qi et al. Design of a multiresonant beam for broadband piezoelectric energy harvesting
Erturk et al. An experimentally validated bimorph cantilever model for piezoelectric energy harvesting from base excitations
Richards et al. Efficiency of energy conversion for devices containing a piezoelectric component
Ou et al. A two-mass cantilever beam model for vibration energy harvesting applications
CN101682309B (en) MEMS resonators
Pan et al. The influence of lay-up design on the performance of bi-stable piezoelectric energy harvester
Usharani et al. Design of high output broadband piezoelectric energy harvester with double tapered cavity beam
US20140285067A1 (en) Piezoelectric energy harvesting device or actuator
Fang et al. Thermoelastic damping in flexural vibration of bilayered microbeams with circular cross-section
RU2329511C2 (en) Force-sensitive resonator
Lu et al. An alternative derivation of dynamic admittance matrix of piezoelectric cantilever bimorph
Naval et al. Comparative study of frequency response of triboelectric and piezoelectric energy harvesters
Zhao et al. Experimental verification of energy harvesting performance in plate-like structures with embedded acoustic black holes
Sienkiewicz et al. Identification of the mechanical properties of the skin by electromechanical impedance analysis of resonant piezoelectric actuator
Zhao et al. Piezoelectric circuitry tailoring for resonant mass sensors providing ultra-high impedance sensitivity
Dompierre et al. Compact model formulation and design guidelines for piezoelectric vibration energy harvesting with geometric and material considerations
Brusa et al. Analytical characterization and experimental validation of performances of piezoelectric vibration energy scavengers
Mhiri et al. Modeling and analysis of a macro-fiber piezoelectric bimorph energy harvester operating in d33-Mode using Timoshenko theory
RU180726U1 (en) PIEZO ELECTRIC BENDING CONVERTER
US6807872B2 (en) Force transducer having a central portion of reduced thickness
RU2541375C1 (en) Power sensitive resonator
Dompierre et al. Theoretical and practical limits of power density for piezoelectric vibration energy harvesters
Wei et al. Characterizing piezoelectric cantilevers for vibration energy harvesting under ambient conditions
Zhang et al. Flexural vibration analyses of piezoelectric ceramic tubes with mass loads in ultrasonic actuators